第十四章 激光及其在生物医学中的运用

第十四章激光及其在生物医学中的应用返回返回教学要求:1.重点掌握激光形成的原理;2.确切理解激光关键参数的物理意义;3.了解典型的激光生物效应和在医学检查、治疗中的典型应用.返回§14.1激光基本原理§14.2激光关键参数与特性§14.3激光生物效应与技术§14.4激光在临床医学中的应用返回§14.1激光基本原理返回14.1.1光与物质的相互作用理论物质由原子(或分子、离子)组成,原子具有一系列分立的运动状态,相应地有一系列分立的不连续的能量值,称为原子系统的能级,其中最低能级状态称为基态.光与物质相互作用有三个不同的基本过程,即自发辐射、受激辐射及受激吸收（简称为吸收）.返回1.自发辐射(spontaneousradiation)2E1E前后h若处于E2能级的原子密度为N2,则自发辐射过程可表示为tNANdd2212返回由此可得ttAeNeNtN0022221式中A21是自发辐射系数返回2.吸收(absorption)tNBNdd1211式中B12是吸收系数2E1E返回3.受激辐射(stimulatedradiation)tNBNdd221'2式中B21是受激辐射系数2E1E返回2112BB2133218BchA返回14.1.2粒子数反转原理(populationinversionprinciple)物质系统在一个入射光子作用下,引起大量处于高能级的粒子产生受激发射,产生出大量特征完全相同光子的现象称为光放大.返回单位时间内吸收的光能量为由于受激发射产生的光能量为所以产生的净光能量是hNB112hNB221hNNB12（这里B=B12=B21）返回取物质横截面积为S,通过dz厚度后,在单位体积和单位时间产生的净光能量表示为hBNNtZSE12dddzOI0dzII+dI返回利用光强与光能量的关系cZStEZtSEIdddddd因而上式写成BhcNNZI1dd12带入,得到221212π8ddAcINNZI返回若令221212π8AcINN积分得到ZeII0α称为物质的增益系数kTEeN11kTEeN22k是玻耳兹曼常数;T是热力学温度.返回由上式看到,在通常情况下N2N1,即高能级上的粒子数少于低能级上的粒子数.kThkTEEeeNN1212两式相比得返回实现N2N1的粒子数分布叫粒子数反转.所以,只有在粒子反转的特定条件下,才能实现光放大.将实现粒子数反转的物质叫做激光工作物质.返回14.1.3光学谐振腔(opticalharmonicoscillator)1.光学谐振腔的作用与结构能够稳定实现来回光反馈的装置称为光学谐振腔.M1M2返回2.光振荡的阈值条件要产生激光振荡,必须满足一定条件,称之为阈值条件.有如下阈值条件211lnrrL式中L为谐振腔的长度,r1、r2是两反射镜的光强反射率.返回3.激光的纵模与横模⑴激光的纵模OzL返回腔内允许存在的波长和频率为nLNcNnLNN22通常将由整数N所表征的腔内纵向场分布称为腔的纵模.返回nLc2普通Ne放电管中光波的中心频率ν0=4.74×1014Hz,线宽,在谐振腔中实际存在频率的范围为Hz105.19D145145101075.074.42101075.074.4nLNc相邻两个纵模之间的频率间隔为返回⑵激光的横模激光束在横截面上光强的分布常成一系列有规则的图样,这种稳定分布的图样,称为激光的横模.TEM00称为基横模,TEM10,TEM11…称为高阶横模.一种稳定的横向光场分布对应一个横模.返回激励装置也称泵浦源,是指向工作物质供给能量的能源.①电子注入②光学泵浦③气体放电泵浦④离子束泵浦⑤化学泵浦14.1.4激励装置返回§14.2激光关键参数与特性返回14.2.1激光关键参数ZeII0α代表增益系数分贝(dB)单位：1.增益(gain)频率为的光强随z变化的规律,可用下式表示.)(I返回在受激辐射产生后,要经历各种损耗,如工作物质的内部吸收、衍射、散射,以及腔壁、腔面的各种损耗,此外还要向外输出激光.激光器的总损耗等于上述各项损耗之和.2.损耗返回3.阈值(threshold)在刚好进入振荡状态时,即增益等于总损耗时的激光器状态,称为阈值状态.这时泵浦源提供给激光材料的能量、功率、电流,就称为阈值能量、阈值功率、阈值电流.返回4.输出功率在方形脉冲的情况下P平均=P峰值×脉冲宽度×ν重复返回5.效率①光-光效率,这是指在光学泵浦时,输出的激光与工作物质所接收到的光能之比;②电-光效率,通常是指输出激光功率与输给泵浦源的总电功率之比;③量子效率,是指工作物质所产生的激光光子能量与泵浦的光子能量之比;④斜率效率,是指在阈值之后,输出激光功率增量与泵浦源功率增量之比.返回6.模式激光模式或称激光波型.从光的波动观点看,模式是指电磁波的某种型式,实际上就是能够存在于激光腔中的各种形式的驻波;从光的粒子观点看,模式代表了可以相互区分的光子态.返回14.2.2激光的特性1.单色性好和波长范围很宽一个光源发射的光所包含的波长范围越窄,那么它的颜色就越单纯,即光源的单色性好.激光是世界上发光颜色最单纯的光源.返回2.高亮度高亮度是激光器最突出的优点.光源单色亮度L2SPLP为光功率,为光辐射的频谱宽度,θ为光束发散角.返回3.方向性好4.相干性好激光的谱宽比普通光源小得多,因此激光的相干性要比普通光源高得多.5.高功率激光器能在极短的时间(如10-12,10-15s)内,可以产生极高的峰值功率.返回6.高能量7.高速调制8.明显的光压效应返回14.2.3典型激光器1.固体激光器一般讲,固体激光器具有器件小、坚固、使用方便、输出功率大的特点.返回2.气体激光器气体激光器具有结构简单、造价低、操作方便;工作介质均匀,光束质量好;以及能长时间较稳定地连续工作的优点.返回3.半导体激光器4.液体激光器常用的是染料激光器,采用有机染料作为工作介质.返回§14.3激光生物效应与技术返回14.3.1激光生物效应生物组织因受激光照射而出现的各种应答性反应、效果或变化称之为激光的生物效应.返回⑴光热作用生物组织在激光照射下吸收光能转化为热能,温度升高,这即是光热作用.蛋白变性蛋白退化凝固效应蒸发返回⑵光致机械作用激光照射生物组织,可直接或间接产生对组织的压强称为激光的机械作用,也称为激光的压强作用.返回⑶光化作用生物大分子吸收激光光子的能量,因激活而引起生物组织内一系列的化学作用.返回光化作用的基本规律由如下两个定律表达:光化学第一定律(吸收定律)－只有被分子吸收了的光子才能引起光化反应.光化学第二定律(量子定律)－在光化反应中,每个分子只吸收一个单色光的光子而成为光化激活分子.返回⑷光电磁场作用激光是一种高能量的电磁波,伴随着激光的出现必然产生一个电磁场.激光对生物组织的作用就是电磁场对生物组织的作用,一般认为这一作用主要是电场所致.返回光致激活作用主要通过弱激光实现.弱激光对生物过程、对神经、通过体液或神经-体液而对全身、对机体免疫功能等都有刺激作用.⑸光致激活作用返回在利用激光进行医疗时,要特别注意影响激光与生物组织相互作用的两方面因素:①要明确所采用的激光器的性能参数②生物组织的性质返回设激光的发散角为θ,光斑的直径为d,透镜的焦距为f,则2tan2,2tan2fdfd因为θ很小,所以fd14.3.2激光生物技术1.激光微光束技术22dff返回假定输出激光的功率为P,那么光斑的功率密度为22π44πfPdPSPE返回例如,P=103W,f=20mm,θ=10-3rad,光斑的面积和功率密度为26223cm104.3cm1024πS28263cmW103cmW104.310E这时光斑的直径约为20um.返回⑴激光莱曼光谱技术⑵激光荧光光谱技术⑶激光原子吸收光谱技术⑷激光微区光谱技术2.激光光谱分析技术返回3.激光多普勒技术返回§14.4激光在临床医学中的应用返回1.癫痫病灶区的检查诊断2.婴儿脑细胞氧含量激光监视仪3.光学层析干涉仪4.光致荧光内窥镜系统14.4.1激光诊断方法返回14.4.2激光治疗方法2.激光在眼科中的应用1.激光在皮肤科中的应用⑴热凝⑵激光切除⑶激光打空⑷热致膨胀⑸激光剥离返回3.激光在耳鼻喉科中的应用4.激光在内科中的应用5.激光在外科中的应用6.激光在治疗肿瘤中的应用返回14.4.3激光的其它临床应用1.激光验血划痕器2.光学镊及人工受精